廣州儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車(chē)運(yùn)行能耗分析及節(jié)能探討

張本松，饒河平

（廣州有軌電車(chē)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510000）

廣州海珠線(xiàn)儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車(chē)采用超級(jí)電容作為區(qū)間運(yùn)行能量源，列車(chē)運(yùn)行能耗直接影響越站能力，進(jìn)而影響運(yùn)營(yíng)組織的策略。本文詳細(xì)分析計(jì)算了列車(chē)運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)，并針對(duì)能耗構(gòu)成提出了相應(yīng)的節(jié)能對(duì)策。

1 線(xiàn)路及車(chē)輛技術(shù)特征

廣州海珠線(xiàn)為全地面線(xiàn)，長(zhǎng)7.7km，設(shè)11個(gè)車(chē)站。列車(chē)采用3動(dòng)1拖編組。車(chē)輛采用被動(dòng)式受電器，站內(nèi)最大充電時(shí)間30s。

2 運(yùn)行能耗計(jì)算

列車(chē)運(yùn)行能耗主要由3部分構(gòu)成：包括列車(chē)牽引能耗、空調(diào)能耗、低壓控制能耗。下面主要對(duì)上述3部分能耗進(jìn)行分析。

2.1 牽引能耗

當(dāng)有軌電車(chē)運(yùn)行于不同工況下，運(yùn)行阻力的構(gòu)成也不同。牽引工況時(shí)，主要包括加速阻力和滾動(dòng)阻力；勻速工況或惰行工況時(shí)，主要包括滾動(dòng)阻力；再生制動(dòng)工況時(shí)，主要包括減速阻力和滾動(dòng)阻力。

2.1.1 受力分析

根據(jù)相關(guān)資料，確定列車(chē)的基本單位阻力公式如下：

其中：速度單位為km/h。

列車(chē)坡道單位阻力公式如下：

其中：L為列車(chē)長(zhǎng)度。列車(chē)處于變坡道點(diǎn)時(shí)，l為列車(chē)前端在坡道上的車(chē)身長(zhǎng)度，i1為列車(chē)車(chē)身前端所處坡道的坡度。

列車(chē)曲線(xiàn)單位阻力公式如下：

其中：R為曲線(xiàn)半徑，直線(xiàn)段時(shí)取∞，L為列車(chē)長(zhǎng)度；列車(chē)處于變曲線(xiàn)點(diǎn)時(shí)，為列車(chē)前端在坡道上的車(chē)身長(zhǎng)度，l為列車(chē)車(chē)身前端所處坡道的坡度。

綜上所述，列車(chē)運(yùn)行阻力公式為：

其中：fre為單位運(yùn)行阻力，單位為N/kN；M為車(chē)輛質(zhì)量，單位為t。

2.1.2 電機(jī)輸出特性

（1）牽引力計(jì)算。

根據(jù)相關(guān)資料，可以得到列車(chē)加速度公式為：

對(duì)膝點(diǎn)1進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)電機(jī)功率為：

對(duì)膝點(diǎn)2進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)：

綜上所述，AW2載荷下，速度與牽引力的關(guān)系為：

（2）制動(dòng)力計(jì)算。

根據(jù)相關(guān)資料，可以得到列車(chē)制動(dòng)減速度公式為：

電機(jī)最大制動(dòng)功率為：

則有AW2載荷下，速度與制動(dòng)力之間的關(guān)系為：

其中：n為電機(jī)個(gè)數(shù)。

（3）列車(chē)功率及能量計(jì)算公式。

列車(chē)的速度位移公式為：

輪周機(jī)械功率為：

其中：速度單位為km/h，力單位為kN，功率單位為kW。

牽引逆變器輸入功率為：

牽引力做功：

電制動(dòng)力做功：

2.2 空調(diào)能耗

車(chē)廂內(nèi)部的總熱負(fù)荷計(jì)算公式如下：

（1）通過(guò)車(chē)體隔熱壁的傳熱量。

其中：K為車(chē)體等效傳熱系數(shù)，A為傳熱面積，Tw為室外溫度，Tn為室內(nèi)溫度。

則車(chē)輛車(chē)體綜合傳熱系數(shù)：

K1為典型截面的傳熱系數(shù)折算車(chē)體隔熱壁等效傳熱系數(shù)，K2為取每節(jié)車(chē)漏風(fēng)量引起的附加傳熱系數(shù)。

（2）進(jìn)入車(chē)內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱。

進(jìn)入車(chē)內(nèi)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為：

鋁合金輻射系數(shù)為0.3，太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)取為0.5，則有：

其中：A1為車(chē)頂面積。

（3）車(chē)內(nèi)人員放出的熱量。

（4）車(chē)內(nèi)儀器放出的熱量。

按照經(jīng)驗(yàn)取為：

（5）新鮮空氣的熱負(fù)荷。

根據(jù)空調(diào)新風(fēng)參數(shù)的要求，則有：

（6）停站開(kāi)門(mén)熱負(fù)荷。

按照經(jīng)驗(yàn)，每次開(kāi)門(mén)約有一半體積的冷空氣置換為熱空氣：

2.3 低壓輔助控制能耗

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，低壓控制能耗主要為列車(chē)24V，低壓系統(tǒng)能耗功率約為4kW。

3 運(yùn)行能耗分析

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，且考慮到線(xiàn)路特征和牽引特性，典型區(qū)間取為平直段770m長(zhǎng)，速度曲線(xiàn)平滑。室外、室內(nèi)的氣溫分別取為35℃、26℃，太陽(yáng)高度角取為90°，并忽略地面輻射反射強(qiáng)度。逆變器、電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)效率分別取為95%、95%、90%。

分析結(jié)果如下：

（1）將列車(chē)限速分別由70km/h降為50km/h、由50km/h降為40km/h，區(qū)間能耗分別下降26.9%、9.2%，運(yùn)行時(shí)間分別增加了29.8%、31.1%。

（2）坡道顯著增大區(qū)間能耗約30.1%；曲線(xiàn)增大區(qū)間能耗約10.3%；人行過(guò)軌會(huì)增大區(qū)間能耗約27.3%。

4 建議及思考

綜上計(jì)算及分析結(jié)果可知，運(yùn)行能耗主要受到坡道、人行過(guò)軌、限速等因素的影響。

對(duì)于已建成的線(xiàn)路，其充電裝置配置和儲(chǔ)能電源容量已固定，故節(jié)能措施應(yīng)著眼于提高續(xù)航里程。

（1）在人行過(guò)軌處設(shè)置自動(dòng)?xùn)艡冢熊?chē)靠近時(shí)形成安全封閉區(qū)間，使列車(chē)速度曲線(xiàn)更平滑。

（2）結(jié)合區(qū)間長(zhǎng)度、路口等因素，按照節(jié)時(shí)節(jié)能原則，合理設(shè)置各區(qū)間的限速。

對(duì)于新建線(xiàn)路，應(yīng)避免單個(gè)運(yùn)行區(qū)間或者越站運(yùn)行區(qū)間能耗過(guò)大，進(jìn)而在保證列車(chē)越站能力的前提下，減少充電裝置數(shù)量和儲(chǔ)能電源容量，因此：

（1）應(yīng)盡量避免或者減小坡道，對(duì)于大坡度的長(zhǎng)坡道區(qū)間，應(yīng)適度增設(shè)充電裝置。

（2）應(yīng)盡量靠近站臺(tái)前后設(shè)置人行過(guò)軌或路口。

（3）應(yīng)盡量使中間區(qū)間更加均勻，頭尾區(qū)間適當(dāng)偏小。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)儲(chǔ)能式有軌電車(chē)線(xiàn)路的建設(shè)正在如火如荼進(jìn)行。計(jì)算分析列車(chē)運(yùn)行能耗，可對(duì)已建成線(xiàn)路制定更加合理的運(yùn)營(yíng)組織方案，對(duì)新建線(xiàn)路優(yōu)化配置充電站與車(chē)載儲(chǔ)能電源容量，具有實(shí)際而廣泛的經(jīng)濟(jì)效益。